Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường khảo sát và đánh giá sự hình thành cặn lắng trên bề mặt ống lót xylanh của động cơ diesel tàu thủy trung tốc

MỤC LỤC DANH SÁCH BẢNG BIỂU DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU i) Tính cấp thiết đề tài ii) Mục đích nghiên cứu iii) Phương pháp nghiên cứu iv) Đối tượng phạm vi nghiên cứu v) Ý nghĩa đề tài TỔNG QUAN VỀ CẶN LẮNG TRONG BUỒNG ĐỐT ĐỘNG CƠ DIESEL Cặn lắng động 1.2 Nguồn gốc cặn lắng 11 1.3 Đặc tính cặn 14 1.4 Tính chất cặn lắng 16 ề Đ 1.1 tà in CẶN LẮNG TRÊN ƠNG LĨT XY LANH ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 18 Cặn lắng ống lót xy lanh 18 2.2 Lịch sử nghiên cứu khảo sát cặn lắng ống lót xy lanh 21 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới hình thành cặn ống lót xy lanh 21 n iê gh 2.1 Ảnh hưởng loại động thiết kế tới hình thành cặn 21 2.3.2 Ảnh hưởng nhiên liệu cặn ống lót 22 2.3.3 Ảnh hưởng trình đốt cháy 22 2.3.4 Ảnh hưởng nhiên liệu dầu bôi trơn 22 2.3.5 Ảnh hưởng tải trọng điều kiện khai thác động 23 u 2.3.1 oa kh c họ 2.4 Nguồn gốc thành phần cặn 24 2.5 Giả thuyết chế hình thành cặn 27 2.5.1 Động học hóa học 27 2.5.2 Lý thuyết oxi hóa hidrocacbon 28 2.5.3 Quá trình cracking nhiệt 32 2.5.4 Ảnh hưởng Nitơ oxit 32 2.5.5 Trùng hợp oxy hóa 33 2.6 Môi trường làm việc ống lót xy lanh 33 2.6.1 Thiết kế xy lanh động 33 2.6.2 Sự cháy truyền nhiệt 35 2.6.3 Nhiệt độ ống lót xy lanh 37 2.6.4 Tính tốn nhiệt độ màng dầu ống lót 38 2.6.5 Tổn thất hóa biến chất hóa học 38 2.6.6 Thời gian cư trú màng dầu 39 2.6.7 Chiều dày màng dầu 39 2.6.8 Cơ chế tiêu hao dầu bôi trơn 40 CƠ SỞ PHÂN TÍCH VÀ KHẢO SÁT CẶN ỐNG LÓT XY LANH 41 3.1 Kỹ thuật phân tích đặc tính cặn ống lót xy lanh 41 3.2 Sự phân bố cặn ống lót 41 3.2.1 Dạng nhìn thấy cặn ống lót 41 3.2.2 Sự phân bố cặn quy mô lớn 44 3.2.3 Dạng cặn phân bố theo nguyên tố hóa học 48 3.3 Thành phần cặn ống lót 48 3.3.1 Lấy mẫu 48 3.3.2 Phân tích cặn quang phổ hồng ngoại 49 KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ CẶN TRÊN ỐNG LÓT XY LANH CỦA MỘT SỐ ĐỘNG CƠ THỦY TRUNG TỐC 50 4.1 Đánh giá trường hợp nghiên cứu 50 Danh sách trường hợp nghiên cứu 51 4.1.2 Các đặc tính tải động 52 4.1.3 Các yếu tố thiết kế động 53 4.1.4 Các thuộc tính nhiên liệu 55 4.1.5 Các đặc tính dầu bơi trơn 58 ề iê gh in tà Khảo sát cặn lacquer ống lót xy lanh động lắp phà 59 n 4.2 Đ 4.1.1 Khái quát 59 4.2.2 Mô tả hệ thống 61 4.2.3 Quá trình khai thác 62 4.2.4 Lịch sử sơ lược động 62 4.2.5 Khảo sát thông số khai thác 62 4.2.6 Phân tích nhiên liệu 64 4.2.7 Phân tích dầu bôi trơn dùng động 65 4.2.8 Hình ảnh quan sát 68 4.2.9 Đo độ nhám bề mặt 73 4.2.10 Đánh giá 74 u 4.2.1 oa kh c họ KẾT LUẬN 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 DANH SÁCH BẢNG BIỂU No Bảng 2.1 Bảng 4.1 Bảng 4.2 Bảng 4.3 Bảng 4.4 Bảng 4.5 Bảng 4.6 No Hình 1.1 Hình 1.2 Tên Nhiệt độ ống lót xy lanh động Danh sách khảo sát Các trường hợp nghiên cứu bổ sung Phân tích nhiên liệu “tiêu chuẩn” Các đặc tính dầu Tiến trình khảo sát động Các thông số biên khảo sát Trang 10 11 13 15 n iê gh in tà Hình 1.3 Hình 1.4 ề Đ DANH SÁCH HÌNH VẼ Tên Cặn lắng phận khác buồng đốt Ảnh hưởng nhiên liệu dầu nhớt hình thành CCD Lượng kẽm hấp thụ phụ gia dầu bơi trơn Sự phân bố kích thước lỗ xốp cặn tạo nhiên liệu không phụ gia chi tiết khác động So sánh kích thước lỗ cặn tạo thành từ nhiên liệu có phụ gia khác với nồng độ Lớp cặn Độ dẫn điện giảm cặn tích tụ Độ dày CCD điểm đầu xi lanh ứng với độ dẫn nhiệt Các loại cặn ống lót khác Dấu vết bề mặt bề mặt ống lót điển hình (a) với cặn (b) không cặn Trang 37 51 51 55 59 61 62 15 u Hình 1.5 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 c Hình 2.4 họ Hình 2.3 oa Hình 2.1 Hình 2.2 kh Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Lượng têu thụ dầu bôi trơn động với cặn ống lót Ảnh hưởng tốc độ động lên việc hình thành cặn Ảnh hưởng nhiên liệu dầu nhớt hình thành CCD Lượng kẽm hấp thụ phụ gia dầu bôi trơn Kết cấu xy lanh động rãnh xéc măng piston 16 14 17 19 20 20 24 25 26 34 Hình 2.8 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 37 42 43 43 Hình 4.9 Dữ liệu phân tích nhiên liệu theo hệ số cetan Hình 4.10 Dữ liệu phân tích nhiên liệu theo thành phần lưu huỳnh Hình 4.11 Sự tiêu hao dầu theo TBN dầu bơi trơn qua sử dụng Hình 4.12 TBN hàm lượng canxi Hình 4.13 Thành phần soot tiêu hao dầu bơi trơn Hình 4.14 Độ nhớt tiêu hao dầu bơi trơn Hình 4.15 Ống lót xy lanh lần khảo sát đầu tiên, trước thời 65 65 ề Đ Màng dầu đóng vai trị lớp cách nhiệt Dấu vết xéc măng ống lót xy lanh Dấu vết chuyển động dầu Mức độ tập trung cặn nhìn thấy bước nhảy cặn Hình 3.4 Sự biến màu cặn Hình 3.5 Mẫu phân phối độ nhám Hình 3.6 Sự phân bố cặn theo dịch chuyển piston Hình 3.7 Sự thay đổi độ nhám bề mặt sau vệ sinh ống lót axit acetic Hình 3.8 Mơ tả cặn lacquer mẫu động A Hình 3.9 Các hình ảnh thu từ máy quét chùn điện tử Hình 3.10 Quang phổ IR cặn ống lót xy lanh Hình 4.1 Mức độ phát triển tiêu hao dầu tàu trang bị hai động (trường hợp E) Hình 4.2 Lượng tiêu hao dầu tương đối số cetan Hình 4.3 Lượng tiêu hao dầu tương đối mật độ Hình 4.4 Lượng tiêu hao dầu tương đối nhiên liệu lưu huỳnh Hình 4.5 Lượng tiêu hao dầu tương đối FBP (ASTM D2886) Hình 4.6 Q trình tiêu hao dầu bơi trơn động lắp đặt phà Hình 4.7 Diễn biến nhiệt độ khí nạp tiêu hao dầu bơi trơn Mức độ cặn lacquer tháng thứ 19 20 (Chất phụ gia đưa vào từ tháng 21) Hình 4.8 Diễn biến nhiệt độ làm mát ống lót xi lanh tiêu hao dầu bôi trơn Mức độ cặn lacquer tháng thứ 19 20 (Chất phụ gia đưa vào từ tháng 21) 44 45 46 47 47 48 49 53 n iê gh in tà 56 57 57 58 u 60 oa kh 63 c họ 64 66 67 67 68 Hình 4.16 Hình 4.17 Hình 4.18 Hình 4.19 Hình 4.20 điểm xử lý chất phụ gia nhiên liệu Hình ảnh chi tiết ống lót lần khảo sát Hình ảnh ống lót xy lanh trước sau thời điểm xử lý chất phụ gia nhiên liệu Hình ảnh chi tiết đỉnh ống lót Ống lót xy lanh B5 trước sau tháng khảo sát với chất phụ gia Cặn lacquer thay lớp bồ hóng phía xéc măng đối đầu Sự xuất trở lại cặn điều kiện sử dụng chất phụ gia khơng liên tục ề Đ Hình 4.21 Sự xt trở lại cặn dịch chuyển rắn quan sát thấy sau tháng khơng xử lí chất phụ gia nhiên liệu Hình 4.22 Đo độ nhám trung bình xung quanh chu vi ống lót tà n u oa kh c họ TBN index iê ASTM CCD CEC Cetane Index CF CIMAC DMA FBP FT-IR MCR SA SAE SEM TBN gh in DANH SÁCH THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT American Society for Testing and Materials Combustion Chamber Deposits Coordinating European Council Prediction of fuel autoignitability based upon distillation and density data Concentration of involatile material in oil film International Council on Combustion Engines Standard 'distillate' quality gas oil specified by ISO 8217 Final boiling point Fourier Transform Infrared Spectroscopy Maximum continuous rating Sulphated Ash Weight of ash converted to sulphate Society of Automotive Engineers (Also: viscosity grade) Scanning Electron Microscopy Total Base Number Alkaline reserve in oil measured by titration and expressed as KOH equivalent [mg KOH/g] Used oil TBN / Fresh oil TBN 69 69 70 70 71 72 74 MỞ ĐẦU i) Tính cấp thiết đề tài Các động diesel ứng dụng ngành công nghiệp hàng hải 50 năm tiếp tục phát triển Theo thời gian, động nhỏ nhẹ với nhiệt độ làm việc áp suất cao Sự phát triển trình tinh chế nhiên liệu với chất xúc tác tốt q trình kiểm sốt cải thiện dẫn đến thay đổi thành phần nhiên liệu hàng hải theo hướng hỗn hợp có nồng độ hydrocarbon chuyển đổi lớn Những năm gần đây, thỏa thuận quốc tế nhằm giảm ô nhiễm biển với Bộ luật IMO-NOx hạn mức lưu huỳnh nhiên liệu tác động sâu sắc đến thiết kế động thành phần nhiên liệu Quy định lượng lưu huỳnh có ảnh hưởng đến thành phần tất loại nhiên liệu chưng cất sử dụng ngành hàng hải ề Đ Công nghệ động diesel kết hợp kinh nghiệm kiến thức với bề dày tảng lý thuyết Thành phần động hưởng lợi từ việc sử dụng ngày tăng khả FEM, nhiên trình đốt, sụt giảm tính bơi trơn hình thành chất gây nhiễm gây khó khăn cho việc mơ hình dự đốn từ thời điểm trước phát triển thử nghiệm thực nghiệm Sự phát triển thách thức kiến thức sẵn có việc xác định nguyên nhân vấn đề nảy sinh Sự hình thành cặn ống lót xy lanh vấn đề đáng quan tâm n iê gh in tà u kh oa Cặn ống lót xy lanh làm gia tăng lượng dầu tiêu hao tăng gây lãng phí tăng lượng bồ hóng Hơn nữa, lớp cặn ống lót xy lanh đòi hỏi việc làm thường xuyên kết cấu bên động gây hư hỏng kèm theo c họ Các giải pháp giúp khắc phục cặn ống lót xy lanh giúp tiết kiệm dầu, giảm tần suất chi phí bảo dưỡng bảo vệ môi trường khỏi muội chất thải q trình đốt cháy dầu bơi trơn mức Nghiên cứu hình thành cặn lắng buồng đốt nói chung bề mặt ống lót xy lanh động diesel nói riêng để tìm giải pháp nhằm giảm lượng cặn buồng đốt giảm tác động xấu chúng tới thông số công tác động tác động tới môi trường cấp thiết ii) Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu khảo sát hình thành cặn lắng buồng đốt động diesel nói chung ống lót xy lanh động diesel thủy trung tốc nói riêng - Tìm nguyên nhân chế hình thành cặn lắng ống lót xy lanh động - Đề xuất giải pháp kiểm soát giảm lượng cặn lắng ống lót xy lanh iii) Phương pháp nghiên cứu Trong trình nghiên cứu, phương pháp sử dụng là: phương pháp thống kê, phương pháp so sánh, phương pháp phân tích tổng hợp iv) Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu đề tài động diesel tàu thủy trung tốc nhiên liệu (MDO, FO), dầu bôi trơn sử dụng động diesel tàu thủy; - Phạm vi nghiên cứu đề tài cặn lắng ơng lót xy lanh; v) Ý nghĩa đề tài ề Đ - Phục vụ công tác giảng dạy học phần động diesel tàu thủy Trường đại học Hàng hải Việt Nam in tà n iê gh - Làm tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cá nhân nghiên cứu động diesel tàu thủy nói chung cặn lắng buồng đốt động nói riêng u oa kh c họ TỔNG QUAN VỀ CẶN LẮNG TRONG BUỒNG ĐỐT ĐỘNG CƠ DIESEL Các nghiên cứu cặn động tiến hành cách từ 40 năm trước Các nghiên cứu tiến hành nhằm tìm hiểu tác động cặn lắng đến động cách thức phát triển cặn lắng động Cặn buồng đốt chứng minh hình thành qua ba giai đoạn khác nhau: (1) ngưng tụ khí cháy khơng hết vách buồng đốt; (2) tác động giọt nhiên liệu chưa cháy; (3) dòng chảy nhiên liệu (tại xupap nạp, đầu vòi phun lỗ phun) Hiện tại, có ba hướng nghiên cứu cặn nhà nghiên cứu Đ ề thực hiện, bao gồm: (1) ảnh hưởng cặn lên động cơ; (2) yếu tố hình tà gh in thành cặn; (3) đặc tính cặn Những ảnh hưởng cặn động bao gồm n iê phát thải, nhiệt, hiệu suất động mối nguy hiểm cho động Tuy nhiên, yếu tố ảnh hưởng hình thành cặn, loại nhiên liệu, điều kiện vận u hành động cơ, nhiệt độ thành vách buồng đốt tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu kh oa nghiên cứu nhiều loại động khác Đặc tính cặn c họ nghiên cứu để tìm hiểu thêm tính chất nhiệt cấu trúc Độ xốp cặn có liên quan chặt chẽ đến lượng khí thải nhiệt Hơn nữa, cấu trúc cặn thành phần xác định mài mòn phá hủy động Hầu hết nghiên cứu cặn thực cách sử dụng kiểm tra động thực Thử nghiệm động thực thực theo hai cách: thử nghiệm bệ thử thử nghiệm phương tiện Cả hai cách đòi hỏi thời gian dài khoảng cách di chuyển xa Một số nghiên cứu thực nghiệm cặn bệ thử động yêu cầu phải có khoảng 200 hoạt động [1, 2] Trong nghiên cứu khác, chẳng hạn Hutchings [3] tiến hành nghiên cứu việc kiểm sốt cặn động có lượng phát thải nhỏ thời gian 360 hoạt động Khi nghiên cứu thực nghiệm phương tiện giới, để có lượng cặn đáng kể xem xét yếu tố ảnh hưởng cần quãng đường di chuyển đủ dài Tarkowski [4] thực nghiên cứu xác định ảnh hưởng loại nhiên liệu đến thành phần cặn buồng đốt động diesel với quãng đường di chuyển 70000 km Như vậy, thấy thời gian dài số km di chuyển nhiều khiến chi phí hai loại thử nghiệm cao gây thiệt hại động trình thử nghiệm cặn lắng đọng Sự hình thành cặn động phụ thuộc vào kết hợp thông số khác nhau, chẳng hạn nhiên liệu, vật liệu bề mặt, nhiệt độ, áp suất, môi trường buồng đốt Tuy nhiên, nhiệt độ vách thông số quan trọng ảnh hưởng hình thành cặn Jonkers [5] đề cập đến ảnh hưởng thông số vận hành khác việc tạo cặn tải động cơ, công suất, nhiệt độ bề mặt, nhiệt độ nước làm mát thời gian phun Khơng có kết ề Đ luận cụ thể đưa loại tham số việc giải thích hình in tà thành cặn Đối với tham số, cặn tăng giảm tùy thuộc vào gh tương tác thơng số khác, vị trí tương tác khác với n iê nhiều loại động khác Do nhiều yếu tố thơng số tạo cặn động cơ, tạo cặn trình phức tạp Vì thế, việc chế u chi tiết liên quan tới việc cặn lắng đọng cần thiết có ý kh oa nghĩa c họ Để hiểu chế hình thành cặn để tìm giải pháp hiệu để giảm cặn, hai công cụ thực nghiệm nghiên cứu lý thuyết cần thiết Một số nghiên cứu thực bay nhiên liệu, đặc biệt nhiên liệu khiết hay nhiên liệu nhiều thành phần [6, 7] bổ sung kiến thức trình nghiên cứu việc hình thành cặn Trên thực tế, thảo luận cặn, có khía cạnh liên quan q trình bay hơi, q trình làm nóng, tạo cặn phản ứng hóa học (phân hủy nhiệt, trùng hợp, trình oxy hóa, vv) đề cập đến Trong số khía cạnh này, tỷ lệ bay thảo luận rộng rãi tài liệu lý thuyết, mơ hình kết thực nghiệm [8-12] 1.1 Cặn lắng động Cặn lắng (deposit) hay cặn lắng carbon thường định nghĩa hỗn hợp không đồng gồm tro, bồ hóng chất hữu dạng keo [13] Nó bao gồm tạp chất cặn tích tụ chi tiết động nắp xi lanh, piston, xupap nạp-thải, đầu vịi phun (hình 1.1) [14] Cặn lắng chi tiết khác động gây tác động đáng kể đến hiệu suất động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu, khởi động nguội, kích nổ, lượng khí thải thơng qua vấn đề khác hạ thấp tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu, hạn chế lưu lượng khơng khí, tăng tỉ số nén, thay đổi mơ hình phun, kích nổ, làm giảm tính dẫn nhiệt, giảm hoạt tính chất xúc tác [15] Ngoài ra, việc mảng cặn buồng đốt kẹt vào nấm xupap xả ghi nhận ề Đ Kalghatgi [16] Các mảnh cặn gây khó khăn việc khởi động kích nổ, gia in tà tăng phát thải hydrocarbon chạy thô (rough running) [17, 18], cuối n iê gh gây thiếu hụt trình nén xi lanh u oa kh c họ Hình 1.1 Cặn lắng phận khác buồng đốt Xét hư hại động cơ, cặn bám bẩn chi tiết động cơ, đặc biệt đỉnh piston xi lanh đề cập Muzikus cộng [19] Artemiev [20] Cặn bám vào piston gây kẹt xéc măng mài mịn, gây cản trở hoạt động bình thường động [21] Eilts [22] cho cặn sinh động gây hư hại nghiêm trọng cho động diesel phun trực tiếp làm việc chế độ tải thấp thời gian dài Trong động đại, cặn động làm tăng lượng HC chưa cháy hút bám giải hấp HC 10 Mức độ TBN tăng 15 lần xét tiêu hao dầu bôi trơn so với mức độ bình thường dầu sạch, nhiên số quay lại mức bình thường nhiên liệu có sử dụng chất phụ gia Điều thể hình 4.11 Hệ số kiềm két lắng đạt tới đỉnh vài tháng trước mức độ tiêu hao dầu bôi trơn tăng Sự giảm tương đối tính kiềm tiêu hao dầu bơi trơn tăng nhanh kết việc tăng pha loãng dung dịch chống lại mát bay ề Đ n iê gh in tà u Hình 4.11 Sự tiêu hao dầu theo TBN dầu bôi trơn qua sử dụng kh oa Hàm lượng kiềm canxi mẫu dầu thể hình 4.12 Hình cho thấy mức đỉnh hàm lượng canxi mẫu dầu bôi trơn xét tiêu hao dầu bôi trơn cực đại, giảm dần theo thời gian lượng tiêu hao dầu phục hồi TBN không bị ảnh hưởng, dầu tình chế dần cách loại bỏ phần tử canxi cách phân tán canxi sunphat canxi cacbonat c họ 66 Hình 4.12 TBN hàm lượng canxi ề Đ n iê gh in tà u oa kh c họ Hình 4.13 Thành phần soot tiêu hao dầu bôi trơn Phần lớn dầu bôi trơn mô tả tăng vượt 100ppm lượng mô tả “canxi dùng” hình thành cặn Sự gia tăng tương quan có mối liên quan đến mức lưu huỳnh nhiên liệu Giả sử hàm lượng kiểm dầu ban đầu không vượt mức độ danh nghĩa 15, gia tăng độ kiềm tháng 13 kết hao hụt bay mạnh kết hợp với tiêu hao dầu xảy trước lỗi làm mát nhận trước thay đổi thành phần nhiên liệu Lượng bồ hóng gia tăng nhẹ với tiêu hao dầu bôi trơn cao hình 4.13 Hình 4.14 thể độ nhớt mẫu dầu Độ nhớt 105cSt tháng thứ xấp xỉ độ nhớt dầu Độ nhớt tiêu hao dầu cao tăng, nhiên độ nhớt dao động đáng kể thay đổi mẫu dầu 67 Khơng có lời giải thích rõ ràng điều này, độ nhớt nhạy cảm với pha loãng để mức dầu két chứa dầu (hay chứa mẫu) góp phần thay đổi mà khơng ảnh hưởng đáng kể đến giá trị phân tích khác ề Đ in tà n iê gh Hình 4.14 Độ nhớt tiêu hao dầu bơi trơn 4.2.8 Hình ảnh quan sát u Sự tiêu hao dầu bôi trơn cao cặn lacquer màu hổ phách thấy phần nhìn thấy ống lót lần khảo sát Cường độ màu sắc khác hình 4.15 Chi tiết thể hình 4.16 oa kh c họ Hình 4.15 Ống lót xy lanh lần khảo sát đầu tiên, trước thời điểm xử lý chất phụ gia nhiên liệu 68 ề Đ n iê gh in tà u kh oa Hình 4.16 Hình ảnh chi tiết ống lót lần khảo sát c họ Hình 4.17 Hình ảnh ống lót xy lanh trước sau thời điểm xử lý chất phụ gia nhiên liệu 69 Hình 4.18 Hình ảnh chi tiết đỉnh ống lót ề Đ n iê gh in tà u Hình 4.19 Ống lót xy lanh B5 trước sau tháng khảo sát với chất phụ gia Cặn lacquer thay lớp bồ hóng phía xéc măng đối đầu oa kh họ c Các hình ảnh cận cảnh ống lót xy lanh hình 4.16 cho thấy muội đen muội xám mềm so với điểm xéc măng đối đầu ống lót Ngồi có số mài mịn vùng Sự mài mòn kết hợp với cặn đỉnh piston Ở số vùng, cặn nhìn thấy dịng chảy dọc xuống ống lót hóa rắn (trong trường hợp E F hình 4.16) Cặn tương tự cặn lacquer màu sắc độ hòa tan Tàu thường phục vụ liên tục khoảng tháng trước xi lanh kiểm tra vào tháng 12 Các hình 4.17 cho thấy ống lót xy lanh A5 động trước sau ba tháng xử lý chất phụ gia Các dẫn trực quan cặn ống lót đáng để ý mức độ tiêu hao dầu bôi trơn giảm xuống phần tư so với mức độ lớn Hình ảnh phần đỉnh ống lót xy lanh thể hình 4.18 Lớp lót xuất để phía vị trí đảo ngược chuyển động xéc 70 măng chấm cặn lacquer tối màu thấy giảm kích thước Một số dấu vết xuất cặn lỏng tìm thấy khảo sát này, mức độ thấp so với khảo sát Cuộc khảo sát lần tiến hành vào tháng thứ 29 khì mà động tháo khảo sát để định mức hạn ngạch Mức độ tiêu hao dầu bôi trơn động ổn định khoảng 0,43% mức độ lần trước Khu vực phía vị trí đảo ngược chuyển động xéc măng làm bồ hóng Tuy nhiên cặn lacquer cịn diện vị trí đó, dịch chuyển cặn xác định khơng có So sánh tính trạng thể hình 4.19 Chất phụ gia nhiên liệu dùng tháng Con tàu hoạt động liên tục, mực dầu két ln trì mức 50% Khi them chất phụ gia vào nhiên liệu tạm dừng để tiến hành hòa chộn chất phụ gia vào két nhiên liệu trực nhật ề Đ Do đó, xử lí chất phụ gia hiệu giảm nhanh chóng chất phụ gia pha lỗng tiêu hao Tình đến ngày tháng 10 năm 2003, tàu khảo sát hoạt động gần tháng mà không cần thêm chất phụ gia Ước tính nồng độ chất phụ gia nhiên liệu giảm xuống thấp 6,25% so với trước n iê gh in tà u Hình 4.20 cho thấy cặn vị trí đảo chuyển động xéc măng lại xuất trở lại phát triển thành chấm lacquer Mức độ tiêu hao trung bình dầu bơi trơn tháng trước 0,45% mức độ tiêu hao nhiên liệu oa kh c họ Hình 4.20 Sự xuất trở lại cặn điều kiện sử dụng chất phụ gia khơng liên tục 71 Hình 4.21 Sự xt trở lại cặn dịch chuyển rắn quan sát thấy sau tháng khơng xử lí chất phụ gia nhiên liệu Lần khảo sát thứ thứ tiến hành sau tàu khai thác tháng không sử dụng chất phụ gia nhiên liệu ề Đ Cặn xuất dạng lỏng lần quan sát vào lần khảo sát thứ 5, hình 4.21 Một chi tiết thú vị ảnh bên phải hình 4.22 cặn thấy chảy từ cặn đen vị trí đảo ngược chuyển động xéc măng Sự khác biệt cặn piston gây mịn xung quanh chu vi ống lót khơng xuất số giải thích cơng bố trước cặn ống lót, thực tế hình dạng giọt bất thường cặn màu hổ phách kết thúc thấp n iê gh in tà u oa kh Bảng 4.7: Các hình ảnh cận cảnh vùng phía c họ 72 Bảng 4.8: Các hình ảnh cận cảnh vị trí phía đỉnh 10cm ề Đ n iê gh in tà Trong trường hợp nghiên cứu này, kỹ thuật chụp cận cảnh ống lót xy lanh sử dụng Tám vị trí xy lanh động nhận dạng theo tiến trình mơ tả phần kỹ thuật phân tích u Các ảnh chụp cận cảnh thể khác biệt độ vị trí đảo ngược chuyển động xéc măng, bảng 4.7 Các hình khác biệt cấu trúc cặn xung quanh ống lót xy lanh Rõ ràng cặn hạt nhỏ không nằm mặt lắc chống lắc piston oa kh họ c Các mẫu thiết lập vị trí 10cm so với đỉnh thể bảng 4.8 Những hình ảnh cho thấy khơng ảnh hưởng xử lí chất phụ gia; nhiên mặt lắc piston quan sát thấy vệt cạo đáng kể, kết mài bóng Các điều kiện ống lót sau tháng khơng xử lí chất phụ gia nhiên liệu giống quan sát trước xử lí phụ gia (trong hình thành cặn ống lót) hình thành cặn vị trí đảo ngược dịch chuyển xéc măng cặn dịch chuyển nhìn thấy Tuy nhiên tiêu hao dầu bôi trơn không tăng đáng kể lượng 'canxi trung gian' giảm 4.2.9 Đo độ nhám bề mặt Dữ liệu đo bề mặt nhận từ động không ghi nhận hình ảnh xu hướng rõ ràng theo thay đổi chu vi ống lót Tuy nhiên 73 liệu thông số phù hơp tính trung bình chiều cao nhấp nhơ theo chu vi ống lót hình 4.22 Độ nhấp nhô bề mặt cao đỉnh ống lót giảm xuống dịch xuống dưới, điều phù hợp với quan sát động khác Đo độ nhám bắt đầu giai đoạn sau nghiên cứu này, phép đo trước dùng chất phụ gia nhiên liệu không phù hợp Như trình bày trên, khảo sát lần ba tiến hành sử dụng chất phụ gia nhiên liệu, khảo sát lần bốn thực sau tháng kết thúc xử lí chất phụ gia nhiên liệu, khảo sát lần tiến hành sau tháng khơng xử lí chất phụ gia nhiên liệu ề Đ Độ nhám bề mặt trung bình thương giảm theo thời gian, kết mài bóng số khu vực tích tụ cặn Làm vị trí thấp với axit axetic vào cuối đợt khảo sát mang lại gia tăng đáng kể độ nhám, độ nhám bề mặt khơng hồn tồn giảm phần ống lót sử dụng nhiên liệu phụ gia Đây giống trường hợp phần ống lót độ nhám bề mặt 'sạch' thấp phía trên; khác biệt độ nhám-nếu tồn tại- nhỏ phía phía n iê gh in tà u oa kh c họ Hình 4.22 Đo độ nhám trung bình xung quanh chu vi ống lót 4.2.10 Đánh giá Độ kiềm lượng canxi bị hấp thụ vào dầu bôi trơn tăng trước tiêu hao dầu tăng Điều kết tiêu hao bay thường gắn liền với tiêu hao dầu bôi trơn Sự gia tăng chất cặn bẩn nước biển làm mát gây 74 tăng nhiệt độ động cơ, điều giải thích cho gia tăng tiêu hao bay hơi, nhiên chệnh lệch nhiệt độ không phát tận sau mà nồng độ kiềm tăng Tuy nhiên, nhiệt độ ống lót xy lanh tăng bao gồm gia tăng nồng độ dầu thành phần cặn canxi chất không bay làm gia tăng hình thành cặn ống lót Các hình ảnh thu từ khảo sát cho thấy khu vực phía xéc măng hoạt động nơi gom dầu, nhiên liệu dầu bơi trơn lưu trú oxi hóa trước chảy xuống bề mặt ống lót xy lanh Trong trường hợp này, cặn cacbon khu vực tăng theo thời gian mà nhiên liệu dầu bôi trơn tiêu hao đó, gia tăng độ oxi hóa chất tiếp xúc với thành ống lót ề Đ Các ảnh chụp trình khảo sát cho thấy chất phụ gia nhiên liệu làm hiệu khu vực phía vị trí đảo ngược chuyển động xéc măng Hiệu làm mở rộng xuống khu vực phía dưới, phép đo bề mặt có lượng cặn ống lót đáng kể cịn lưu trú vị trí thấp q trình xử lí chất phụ gia nhiên liệu Từ mức độ tiêu hao dầu bơi trơn ổn định, cặn thấp xem cặn nghiêm trọng động n iê gh in tà u oa kh Trong nghiên cứu chứng minh cách rõ ràng phức tạp trình hình thành cặn Một mặt cho thấy xử lí chất phụ gia nhiên liệu có hiệu việc làm tẩy bỏ cặn, mặt khác hình thành cặn khơng gây tiêu hao lớn dầu bôi trơn giai đoạn tháng khảo sát khơng có xử lí chất phụ gia nhiên liệu Có thể, hình thành cặn chậm không tồn trọng vắng mặt yếu tố kích thích gia tăng mức chất bẩn nước làm mát c họ 75 ề Đ KẾT LUẬN Sự hình thành cặn ống lót xy lanh động tàu thủy trung tốc khảo sát Cặn tìm thấy mức độ hạn chế khu vực hành trình ống lót xy lanh động khai thác chế độ thấp tải Chúng chứa lượng đa dạng chất không tan dầu bôi trơn, bao gồm lượng đáng kể canxi sunfat ngậm nước mạt kim loại mài mịn Bên cạnh đó, cặn “bore glaze” khơng nhìn thấy nghiên cứu bao gồm sắt sunfat, muối cacboxylat bồ hóng (soot), chất tẩy rửa có tính kiềm tiêu hao hồn tồn, cặn lacquer ống lót dạng màu hổ phách chứa nhiều thành phần oxy hóa hydrocacbon Sự chuyển đổi cặn lacquer cặn glaze thể qua vết trượt thu hình ảnh khảo sát Nguồn gốc gây cặn ống lót khơng phù hợp q trình oxy hóa nhiễm bẩn tạo sức ép cho màng dầu bơi trơn ống lót phân tán lượng tỉ lệ chuyển đổi thân Phương pháp cân khối lượng hỗn hợp động hóa học dùng để lấp đầy khoảng trống lý thuyết cặn yếu tố xác thực Nó góp phần vào việc hợp lý hóa hình thành cặn ống lót động mối liên hệ yếu tố hình thành cặn thiết kế động cơ, hoạt động thành phần nhiên liệu Dựa hiểu biết mà xây dựng biện pháp ngăn chặn sử hình thành cặn đồng thời đưa giả thuyết hợp lý hình thành cặn thông qua nội dung thực nghiên cứu Sự diện cặn phân tán lượng tỉ lệ chuyển đổi màng dầu bôi trơn không đủ để giải thích cho hình thành tiền tố cặn Điều cịn liên quan đến chế độ khai thác tải thấp, phù hợp với nhiệt độ thấp ống lót mức độ tiêu hào dầu định danh thấp động Nhiệt độ ống lót thấp thúc đẩy hình thành canxi sunfat ngưng tụ tiền tố axit sunfuric mức dầu tiêu hao thấp chứng tỏ vận chuyển màng dầu chậm Sự chuyển đổi màng dầu chậm góp phần oxi hóa màng dầu kéo dài thời gian tiếp xúc với khí thể cơng tác buồng cháy n iê gh in tà u oa kh c họ 76 [1] [2] [3] [4] [5] ề Đ [6] TÀI LIỆU THAM KHẢO Kalghatgi GT, Sutkowski A, Pace S, Schwahn H, Nierhauve B ASTM unwashed gum and the propensity of a fuel to form combustion chamber deposit SAE paper 2000; No 2000-01-2026 Hopwood AB, Chynoweth S, Kalghatgi GT A technique to measure thermal diffusivity and thickness of combustion chamber deposits in-situ SAE paper 1998; No 982590 Hutchings M, Chasan D, Burke R, Odorisio P, Rovani M, Wang W Heavy duty diesel deposit control….Preventive as a cure SAE paper 1997; No.972954 Tarkowski P, Sarzynski J, Budzynski J, Paluch R, Wiertel M Influence of the kind of fuel oil on the deposit composition in the diesel engine combustion chamber Fuel 2001; 80: 1399-1403 Jonkers RK, Bardon MF, Gardiner DP Techniques for predicting combustion chamber deposits in a direct injection diesel engine SAE paper 2002; No.2002-01-2673 Morin C, Chauveau C, Gokalp I Droplet vaporization characteristic of vegetable oil derived biofuels at high temperatures Experimental Thermal and Fluid Science 2000; 21: 41-50 Elkotb MM, Aly SL, Elsalmawy HA Evaporation characteristics of fuel and multifuel droplets Combustion and Flame 1991; 85: 300-308 Renksizbulut M and Bussman M Multicomponent droplet evaporization at intermediate Reynolds numbers Int J Heat Mass Transfer 1993; 36: 28272835 Tong AY Multicomponent droplet vaporization in a high temperature gas Combustion and Flame1986; 66: 221-235 Hallett WLH A simple model for the vaporization of droplets with large numbers of components Combustion and Flame 2000; 121: 334-344 Sazhin S Modelling of heating, evaporation and ignition of fuel droplets: combined analytical, asymptotic and numerical analysis Journal of Physics: Conference Series 2005; 22: 174-193 Kneer R, Schneider M, Noll B, Wittig S Diffusion controlled evaporation of a multicomponents droplet: theoretical studies on the importance of variable liquid properties Int J Heat Mass Transfer 1993; 36: 2403-2415 Shurvell HF, Clague ADH, Southby MC Method for determination of the composition of diesel engine piston deposits by infrared spectroscopy Journal of Applied Spectroscopy 1997; 51(6):827-835 Guralp O, Hoffman M, Assanis D, Filipi Z, Kuo TW, Najt P, Rask R Characterizing the effect of combustion chamber deposits on a gasoline HCCI engine SAE paper 2006; No.2006-01-3277 Ye Z, Meng Q, Mohamadiah HP, Wang JT, Chen L, Zhu L Investigation of deposits formation mechanisms for engine in-cylinder combustion and u [8] n iê gh in tà [7] [13] [14] [15] c [12] họ [11] oa [10] kh [9] 77 [16] [17] [18] [19] [20] [21] ề Đ exhaust system using quantitative analysis and sustainability study Int J Thermophys 2007; 28: 1056-1066 Kalghatgi GT Combustion chamber deposit flaking- Studies using a road test procedure SAE paper 2002; No.2002-01-2833 Hoard J and Moilanen P Exhaust valve seat leakage SAE paper 1997; No.971638 Kalghatgi GT and Price RJ Combustion chamber deposit flaking SAE paper 2000; No 2000-01-2858 Muzikus SM, Fedorov MI, Frolov EI Standard allowable limit for carbondeposit formation in diesel engines Khimiya I Teknologiya Topliv I Masel 1975; No 10: 55-56 Artemiev VA Evaluation of thermodynamic processes of carbon deposition on diesel pistons Chemistry and Technology of Fuels and Oils 1998; 34 (5): 280-284 Devlin MT, Baren RE, Sheets RM, Mclntosh K, Turner TL and Jao T-C Characterization of deposits formed on sequence IIIG pistons SAE paper 2005; No.2005-01-3820 Eilts P Investigation on deposit formation during low load operation of high supercharged diesel engines Int Symposium COMODIA90: 517-522 (1990) Lepperhoff G and Houben M Mechanisms of deposit formation in internal combustion engines and heat exchangers SAE paper 1993; No.931032 Ullmann J, Geduldig M, Stutzenberger H, Caprotti R, Balfour G Investigation into formation and prevention of internal diesel injector deposits SAE paper 2008; No.2008-01-0926 Jonkers RK, Bardon MF, Gardiner DP Techniques for predicting combustion chamber deposits in a direct injection diesel engine SAE paper 2002; No.2002-01-2673 Fukui M, Sato T, Fujita N, Kitano M Examination of lubricant oil components affecting the formation of combustion chamber deposit in twostroke engine JSAE 2001; 22: 281-285 Diaby M, Sablier M, Le Negrate A, El Fassi M, Bocquet J Understanding carbonaceous deposit formation resulting from engine oil degradation Carbon 2009; 47: 355-366 McGeehan JA and Fontana BJ Effect of soot on piston deposits and crankcase oils- Infrared spectrometric technique for analyzing soot SAE paper 1980; No 801368 Ra Y, Reitz RD, Jarret MW, Shyu TP Effects of piston crevice flows and lubricant oil vaporization on diesel engine deposits SAE paper 2006; No.2006-01-1149 Leedham A, Caprotti R, Graupner O, Klaua T Impact of fuel additives on diesel injector deposits SAE paper 2004; No 2004-01-2935 u [24] n [23] iê gh in tà [22] oa kh c họ [25] [26] [27] [28] [29] [30] 78 ề Đ [31] Ebert LB Chemistry of engine combustion deposits, New York: Plenum Press, 1985 [32] Cloud GH and Blackwood AJ The influence of diesel fuel on engine deposits and wear SAE Journal (Transactions) 1943; 51 (11) [33] Moore SM, Sabourin ET, Yeh SW Extended abstract, 1st International Colloqium, Germany: Technische Akademie Esslingen 1997;73 [34] Zerda TW, Yuan X, Moore SM Effects of fuel additives on the microstructure of combustion engine deposits Carbon 2001; 39: 15891597 [35] Nagao F, Ikegami M, Tokunaga A Temperature dependence of carbon deposits in diesel combustion chamber The Japan Society of Mechanical Engineers 1966; (35): 573-579 [36] Daly DT, Fog DA, Bannon SA, Harold SM Mechanism of combustion chamber deposit formation SAE paper 1994; No 941889 [37] Nishiwaki K and Hafnan M The determination of thermal properties of engine combustion chamber deposits SAE paper 2000; No 2000-01-1215 [38] Bos, A B F, Verhelst, A, Voogdt, D, Cannon, MJ Mechanisms of loss of oil consumption control during operation of medium speed diesel engines CEC IL-21 Investigation Report rev February 1993 [39] Hans Van Bodegraven Diesel Combustion Performance and related damages infulenced by fuel oil/lubricating oil/engine design D Touw Expertise-En Ingenieursbureau BV.Havenstraete ZZ10 38 HH Rotterdam [40] Japanese marine engineering society Annual Review of the Bulletin of Japanese marine engineering society Bulletin of the MESJ Vol 27 No The Japan Institution of Marine Engineering 1998 [41] Allen, R.W The influence of Marine Fuel Quality on Lubricatin Oil Performance 20th CIMAC world congress London 1993 [42] Cannon, MJ, Logtenberg, J, Dilks, A Cylinder liner lacquering in high output medium speed diesel engines Shell Marine Service Publication [43] Sayles R S A Case study of cylinder liner wear in relation to 'varnish' films in a large long stroke marine diesel engine SAE Paper 2000-01-1783 Warrendale, PA 2000 [44] BP Chemicals Ltd Process for reducing liner lacquering in a marine diesel engine and a fuel therefor International patent application WO 96/15209 May 23 1996 [45] Products Serviced notice 'Cure for liner lacquering problems' MER Marine Engineering Review pp50 April 1995 [46] McGeehan J A., Fontana B J., Kramer J D., The effects of piston temperature and fuel sulfur on diesel engine deposits SAE paper 821216 Society of Automotive Engineeres, Warrendale, PA 1982 [47] Heywood, J B., Internal combustion engine fundamentals ISBN 0-07100499-8, McGraw Hill International Editions 1988 n iê gh in tà u oa kh c họ 79 ề Đ [48] Warnatz J., Maas U., Dibble R.W (ed.), Combustion ISBN 3-540-65228-0 Springer 1999 [49] Mortier R M., Orszulik S T., Chemistry and Technology of lubricants 2.ed ISBN 7514 0246 X, Blackie Academic and Professional Chapman & Hall 1997 [50] Malville X., Faure D., Legros A., Hipeaux J C., Oxidation of Mineral Base oils of petroleum origin: The relationship between chemical composition, thickening, and composition of degratation products Lubrication Science, 9-1 1996 [51] Caines A., Haycook R., Automotive lubricants reference book ISBN 86058 049 1, Mechanical Engineering Publications, 1996 [52] Denis J., Briant J., Hipeaux J C., Lubricant Properties analysis and testing ISBN 2-7108-0746-7, Editions Technip 2000 [53] Denis J., Briant J., Hipeaux J C., Lubricant Properties analysis and testing ISBN 2-7108-0746-7, Editions Technip 2000 [54] Guohua C., Wang V W, Heywood J B A study of a multidimensional instantaneous heat transfer model for the combustion chamber of a diesel engine Paper D55 CIMAC 1991 [55] Miyazaki M, Takeshima A, Okuyama S, Tanaka M Evaluation of marine engine lubricating conditions using a cylinder liner surface oil sampling apparatus CIMAC 1993 Paper D 27 [56] Fox M F., Jones C J., Hickford D., Picken D J., Kelley F A., Copp D E., Lubricant Mechanisms and Degradation in the ring pack of operating diesel engines Proceedings of annual automotive technology development contractors coordinating meeting, Dearborn MI SAE SP-289, ISBN 1-56091-654-0, 1995 [57] Thompson, D M Nattrass S.R Full mid IR spectral characterization of lubricant in the ring pack of a running diesel engine by timeresolved FTIR spectrometry SAE962003, Society of Automotive Engineeres, Warrendale, PA, 1996 [58] Takiguchi M., Sasaki R.Takahashi I., Ishibashi F., Furuhama S., Kai R., Sato M., Oil film thickness measurement and analysis of a three ring pack in an operating diesel engine SAE 2000-01-1787, Society of Automotive Engineeres, Warrendale, PA, 2000 [59] Moore S., Oil film thickness measurement and analysis of a three ring pack in an operating diesel engine Congres International des Machines a Combustion (CIMAC) Volume page 575-586 (1998) [60] Lux J P., Hoult D P., Olechowski M J., Lubricant film thickness measurements in a diesel engine piston ring zone Lubrication Engineering 47, 5, 353-364 n iê gh in tà u oa kh c họ 80